CN113944928B - 分级燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种分级燃烧器，包括壳体、第一空气进气管、燃料进气管、点火棒导管、第二空气进气管、第一多孔板、第二多孔板以及罩体；壳体的上面为开口结构，第一多孔板、第二多孔板以及罩体沿从下到上的方向依次间隔设置在壳体内。本申请提供的上述方案，通过第二空气进气管将二次空气输送到第二空腔，然后通过空气进气分流孔将二次空气输送到罩体内，二次空气的一部分提供助燃空气让燃料充分燃烧，另一部分将火焰吹向燃烧器中心，起到冷却作用，保证燃烧器的安全；该燃烧器整体功能丰富，不但可以使得燃料充分燃烧，而且方便点燃燃料、测量燃烧器的内部温度，且能保证燃烧器的安全。

Description

分级燃烧器
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，特别是涉及一种分级燃烧器。
背景技术
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)是一种清洁高效的发电技术，可在高温下直接将燃料的化学能转化为电能，是构建我国“清洁低碳、安全高效”能源体系的重要途径。全球范围内大量企业与科研机构均致力于SOFC的开发与研究工作，美国、日本、欧洲等发达国家和地区投入了持续多年的政策与补贴，目前已实现了千瓦到兆瓦级SOFC发电系统的工程示范乃至商业化应用。国内三环、索福人、中弗等企业也在大力研发电池电堆、系统集成等核心技术，商业化步伐加快。
燃烧器是SOFC系统的关键设备，多孔介质在燃烧器中的预混燃烧有很多优点：较小的贫燃极限、较高的燃烧速率和稳定性、负荷调节范围广、燃烧强度高、燃烧器体积小等，而且燃烧产物中氮化物和硫化物等污染物成份的含量非常少，因此，多孔介质中的预混燃烧在现实应用中有很大的潜力。然而现有的燃烧器腔体内流道结构相对复杂，气道阻力大，使用功能单一，这给多孔介质燃烧器的实际应用带来局限性。
发明内容
基于此，有必要针对现有的燃烧器使用功能单一的问题，提供一种分级燃烧器。
本发明提供了一种分级燃烧器，包括壳体、第一空气进气管、燃料进气管、点火棒导管、第二空气进气管、第一多孔板、第二多孔板以及罩体；所述壳体的底面为封闭结构，所述壳体的上面为开口结构，所述第一多孔板、所述第二多孔板以及所述罩体沿从下到上的方向依次间隔设置在所述壳体内；
所述第一多孔板与所述壳体的底面之间形成第一空腔，所述第一多孔板与所述第二多孔板之间形成燃烧腔，所述罩体的上端面直径大于所述罩体的下端面直径，所述罩体的下端面为开口结构，所述罩体的上端面上设置有尾气排放分流孔，所述罩体的侧壁上设置有空气进气分流孔，所述罩体的上端面与所述壳体的内壁抵接，所述罩体的下端面通过连接环与所述第二多孔板连接，所述连接环与所述壳体的内壁之间形成第二空腔；
所述第一空气进气管与所述第一空腔连通，所述燃料进气管的一端位于所述壳体的外部，另一端依次穿过所述第一空腔、所述第一多孔板后伸入到所述燃烧腔内，所述点火棒导管与所述燃烧腔连通，所述第二空气进气管与所述第二空腔连通。
上述分级燃烧器，通过第一空气进气管将一次空气输送到第一空腔中，然后经过第一多孔板流动到燃烧腔中，通过燃料进气管将燃料气体输送到燃烧腔中，空气和燃料气体在燃烧腔内混合后，再将打火器放入到点火棒导管中点燃燃烧腔内的混合气体，经过燃烧后的气体通过第二多孔板流入到连接环内，此时，通过将热电偶就可以检测燃烧器的内部温度情况，以便检测燃烧情况判断其燃烧性能；同时通过第二空气进气管将二次空气输送到第二空腔，然后通过空气进气分流孔将二次空气输送到罩体内，二次空气的一部分提供助燃空气让燃料充分燃烧，另一部分将火焰吹向燃烧器中心，起到冷却作用，保证燃烧器的安全；该燃烧器整体功能丰富，不但可以使得燃料充分燃烧，而且方便点燃燃料、测量燃烧器的内部温度，且能保证燃烧器的安全。
在其中一个实施例中，还包括第一多孔陶瓷介质，所述第一多孔陶瓷介质设置在所述连接环。
在其中一个实施例中，所述连接环的侧壁上设置有多个开口，所述第二空腔通过所述开口与所述第一多孔陶瓷介质连通。
在其中一个实施例中，还包括第一测温接口管和第二测温接口管，所述第一测温接口管的一端位于所述壳体的外部，另一端伸入到所述连接环内，所述第一测温接口管伸入到所述连接环内的一端位于所述第一多孔陶瓷介质的上方，所述罩体的上端面与所述壳体的开口端之间形成第三空腔，所述第二测温接口管的一端位于所述壳体的外部，另一端与所述第三空腔连通。
在其中一个实施例中，还包括第二多孔陶瓷介质，所述第二多孔陶瓷介质设置在所述第三空腔内，所述第二测温接口管伸入到所述第三空腔内的一端位于所述第二多孔陶瓷介质的上方。
在其中一个实施例中，所述燃料进气管位于所述燃烧腔内的一端的侧壁上设置有分流孔。
在其中一个实施例中，所述第一多孔板上的孔的内径均相等，且所述第一多孔板上的孔均匀分布。
在其中一个实施例中，所述第二多孔板上的孔的内径均相等，且所述第二多孔板上的孔均匀分布。
在其中一个实施例中，所述第一空气进气管、所述燃料进气管以及所述第二空气进气管内均设置有电磁阀。
在其中一个实施例中，所述空气进气分流孔朝向所述第二空腔一侧的直径大于所述空气进气分流孔远离所述第二空腔一侧的直径。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的分级燃烧器的结构示意图；
图2为图1的内部结构示意图；
图3为图2的另一示意图；
图4为图3中的A-A向剖视图；
图5为图1中的罩体示意图；
图6为图1中的燃料进气管示意图。
图中标记如下：
10、壳体；101、第一空腔；102、燃烧腔；103、连接环；1031、开口；104、第二空腔；105、第三空腔；20、第一空气进气管；30、燃料进气管；301、分流孔；40、点火棒导管；50、第二空气进气管；60、第一测温接口管；70、第二测温接口管；80、第一多孔板；90、第二多孔板；100、罩体；1001、空气进气分流孔；1002、尾气排放分流孔；110、第一多孔陶瓷介质；120、第二多孔陶瓷介质。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)是一种清洁高效的发电技术，可在高温下直接将燃料的化学能转化为电能，是构建我国“清洁低碳、安全高效”能源体系的重要途径。全球范围内大量企业与科研机构均致力于SOFC的开发与研究工作，美国、日本、欧洲等发达国家和地区投入了持续多年的政策与补贴，目前已实现了千瓦到兆瓦级SOFC发电系统的工程示范乃至商业化应用。国内三环、索福人、中弗等企业也在大力研发电池电堆、系统集成等核心技术，商业化步伐加快。燃烧器是SOFC系统的关键设备，多孔介质在燃烧器中的预混燃烧有很多优点：较小的贫燃极限、较高的燃烧速率和稳定性、负荷调节范围广、燃烧强度高、燃烧器体积小等，而且燃烧产物中氮化物和硫化物等污染物成份的含量非常少，因此，多孔介质中的预混燃烧在现实应用中有很大的潜力。然而现有的燃烧器腔体内流道结构相对复杂，气道阻力大，使用功能单一，这给多孔介质燃烧器的实际应用带来局限性。
为了解决上述问题，如图1并结合图2、图5所示，本发明一实施例中，提供了一种分级燃烧器，包括壳体10、第一空气进气管20、燃料进气管30、点火棒导管40、第二空气进气管50、第一测温接口管60、第一多孔板80、第二多孔板90以及罩体100；壳体10的底面为封闭结构，壳体10的上面为开口结构，第一多孔板80、第二多孔板90以及罩体100沿从下到上的方向依次间隔设置在壳体10内，其中，第一多孔板80与壳体10的底面之间形成第一空腔101，第一多孔板80与第二多孔板90之间形成燃烧腔102，罩体100的上端面直径大于罩体100的下端面直径，罩体100的下端面为开口结构，罩体100的上端面上设置有尾气排放分流孔1002，罩体100的侧壁上设置有空气进气分流孔1001，罩体100的上端面与壳体10的内壁抵接，罩体100的下端面通过连接环103与第二多孔板90连接，连接环103与壳体10的内壁之间形成第二空腔104；
第一空气进气管20与第一空腔101连通，燃料进气管30的一端位于壳体10的外部，另一端依次穿过第一空腔101、第一多孔板80后伸入到燃烧腔102内，点火棒导管40与燃烧腔102连通，第二空气进气管50与第二空腔104连通，第一测温接口管60的一端位于壳体10的外部，另一端伸入到连接环103内。
上述燃烧器在使用时，通过第一空气进气管20将一次空气输送到第一空腔102中，然后经过第一多孔板80流动到燃烧腔102中，通过燃料进气管30将燃料气体输送到燃烧腔102中，空气和燃料气体在燃烧腔102内混合后，再将打火器放入到点火棒导管40中点燃燃烧腔102内的混合气体，经过燃烧后的气体通过第二多孔板90流入到连接环103内，此时，通过将热电偶放入到第一测温接口管60中就可以检测燃烧器的内部温度情况，以便检测燃烧情况判断其燃烧性能；同时通过第二空气进气管50将二次空气输送到第二空腔104中，然后通过空气进气分流孔1001将二次空气输送到罩体100内部，二次空气的一部分提供助燃空气让燃料充分燃烧，另一部分将火焰吹向燃烧器中心，起到冷却作用，保证燃烧器的安全。
具体地，如图5所示，本申请中的罩体100由于上端面直径大于罩体100的下端面直径，罩体100的整体呈倒锥形结构，当第二空气进气管50将二次空气输送到第二空腔104中，然后通过空气进气分流孔1001将二次空气输送到罩体100内部时，此时，从空气进气分流孔1001流入到罩体100内的空气成倾斜方向，且集中向罩体100的中心靠拢，因此，二次空气的一部分提供助燃空气让燃料充分燃烧，另一部分将火焰吹向燃烧器中心，起到冷却作用，保证燃烧器的安全。
本申请燃烧器分级燃烧，功率密度高达10MW/m3，具备较大的负荷调节比。通过第一空气进气管20、第二空气进气管50以及燃料进气管30直接的结构形成分级配送的方式，使得燃烧器内部形成不同的燃料空气配比，在不同负荷情况下都存在一个稳燃区间，调节灵活宽泛的空燃比使得负荷调节比达到1:20。本申请实施例中的燃烧器在点火启动时，输入燃料为天然气，在正常运行时，燃烧的是经过电堆电化学反应后的电堆尾气。本燃烧器在低流量下0.5L/min能够实现点火，当预热流量在0.5-1.5L/min范围时能够稳定燃烧，且当电堆正常运行燃料流量3-4L/min时空燃比30:1-40:1之间能够稳定燃烧。
本申请燃烧器整体采用空气分级和燃料分级方式进行燃烧组织，将燃烧器在燃烧腔102中形成一级燃烧室，在罩体100中形成二级燃烧室。空气燃料分级一次空气和二次空气，一次空气在燃烧腔102内与燃料进行预混，形成不同的燃料浓度梯度，有利于点火和稳燃、二次空气的一部分提供助燃空气让燃料充分燃烧，另一部分将火焰吹向燃烧器中心，起到冷却作用，保证燃烧器的安全。燃料也采取分层混入的方式逐步与空气混合，以便形成不同的浓度梯度，同样有利于点火和稳燃。本申请的燃烧器在燃用天然气燃料时，其理论燃烧温度在2000℃以上，在燃烧电堆尾气时，理论燃烧温度也达到1400℃。
本发明的燃烧器在燃烧组织上采用中心燃烧方式，使火焰位于燃烧室中心，避免对金属壁的直接灼烧；最再者在气流组织上，一次空气在进入多孔介质腔之前对燃烧器进行了冷却，同时自身也被加热，也就是利用了再生冷却；一次空气与二次空气将火焰吹到燃烧腔中部，同时在燃烧器壁面和中心火焰之间形成气膜，保护了燃烧器壁面，形成了气膜冷却带，保证了燃烧器的安全，提高了其使用寿命。
在一些实施例中，如图3并结合图2所示，本申请中的分级燃烧器还包括第一多孔陶瓷介质110，第一多孔陶瓷介质110设置在连接环103内，第一测温接口管60伸入到连接环103内的一端位于第一多孔陶瓷介质110的上方。
本实施例燃烧器采用多孔介质燃烧技术，适用的燃料热值区域较广，从2MJ/m3的低热值燃料到120MJ/m3的高热值燃料均能稳定燃烧，污染物排放极低，启动燃烧实测CO和NOX的排放量低于10ppm。第一多孔陶瓷介质110可以选用氧化钇基氧化锆、氧化钙基氧化锆或碳化硅，平均孔径为2.5～5mm，孔隙率为80～85％，孔的排列方式为直通或无序；该燃烧器在加入多孔介质后，燃料在多孔介质表面燃烧，将多孔介质加热后多孔介质又对新加入的燃料通过对流，导热和辐射三种方式进行加热，这一方面提高了燃烧的稳定性，提高了燃烧器的容积热强度，同时使燃烧区域温度趋于均匀。由于多孔介质具有一定的蓄热功能，在变负荷过程中温度变化平缓，燃烧器在启停和变负荷过程中不会因热应力而损坏，因此使得燃烧器具有良好的抗热震性能。
在一些实施例中，如图4并结合图3所示，本申请中的连接环103的侧壁上设置有多个开口1031，第二空腔104通过开口1031与第一多孔陶瓷介质110连通。开口1031的设置，方便了空气从第二空腔104中流入到第一多孔陶瓷介质110中。
在一些实施例中，如图3并结合图2所示，本申请中的分级燃烧器还包括第二测温接口管70，罩体100的上端面与壳体10的开口端之间形成第三空腔105，第二测温接口管70的一端位于壳体10的外部，另一端与第三空腔105连通。通过在第二测温接口管70内设置热电偶，从而方便检测燃烧器的内部温度情况，以便检测燃烧情况判断其燃烧性能
在一些实施例中，如图3并结合图2所示，本申请中的分级燃烧器还包括第二多孔陶瓷介质120，第二多孔陶瓷介质120设置在第三空腔105内，第二测温接口管70伸入到第三空腔105内的一端位于第二多孔陶瓷介质120的上方。
本实施例燃烧器采用多孔介质燃烧技术，适用的燃料热值区域较广，从2MJ/m3的低热值燃料到120MJ/m3的高热值燃料均能稳定燃烧，污染物排放极低，启动燃烧实测CO和NOX的排放量低于10ppm。该燃烧器在加入多孔介质后，燃料在多孔介质表面燃烧，将多孔介质加热后多孔介质又对新加入的燃料通过对流，导热和辐射三种方式进行加热，这一方面提高了燃烧的稳定性，提高了燃烧器的容积热强度，同时使燃烧区域温度趋于均匀。由于多孔介质具有一定的蓄热功能，在变负荷过程中温度变化平缓，燃烧器在启停和变负荷过程中不会因热应力而损坏，因此使得燃烧器具有良好的抗热震性能。
在一些实施例中，如图6所示，本申请中的燃料进气管30位于燃烧腔102内的一端的侧壁上设置有分流孔301。分流孔301的设置，可以使得燃烧气体更加均匀的输送到燃烧腔102内。
在一些实施例中，本申请中的第一多孔板80上的孔的内径均相等，且第一多孔板80上的孔均匀分布。第二多孔板90上的孔的内径均相等，且第二多孔板90上的孔均匀分布。
由于第一多孔板80上的孔的内径均相等，且第一多孔板80上的孔均匀分布，从而可以使得从第一空气进气管20中流入的空气均匀的进入到燃烧腔102内，由于第二多孔板90上的孔的内径均相等，且第二多孔板90上的孔均匀分布，从而可以使得燃烧后的气体均匀的进入到连接环103内。
在一些实施例中，为了方便控制空气和燃气的开启或者关闭，本申请在第一空气进气管20、燃料进气管30以及第二空气进气管50内均设置有电磁阀。
在一些实施例中，如图2并结合图5所示，本申请中的空气进气分流孔1001朝向第二空腔104一侧的直径大于空气进气分流孔1001远离第二空腔104一侧的直径。
由于空气进气分流孔1001朝向第二空腔104一侧的直径大于空气进气分流孔1001远离第二空腔104一侧的直径，因此，空气进气分流孔1001整体呈锥形结构，从空气进气分流孔1001流入到罩体100内的空气的流速会增大，进一步会将燃烧器内的火焰吹向燃烧器中心，起到冷却作用，保证燃烧器的安全
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种分级燃烧器，其特征在于，包括壳体(10)、第一空气进气管(20)、燃料进气管(30)、点火棒导管(40)、第二空气进气管(50)、第一多孔板(80)、第二多孔板(90)以及罩体(100)；所述壳体(10)的底面为封闭结构，所述壳体(10)的上面为开口结构，所述第一多孔板(80)、所述第二多孔板(90)以及所述罩体(100)沿从下到上的方向依次间隔设置在所述壳体(10)内；
所述第一多孔板(80)与所述壳体(10)的底面之间形成第一空腔(101)，所述第一多孔板(80)与所述第二多孔板(90)之间形成燃烧腔(102)，所述罩体(100)的上端面直径大于所述罩体(100)的下端面直径，所述罩体(100)的下端面为开口结构，所述罩体(100)的上端面上设置有尾气排放分流孔(1002)，所述罩体(100)的侧壁上设置有空气进气分流孔(1001)，所述罩体(100)的上端面与所述壳体(10)的内壁抵接，所述罩体(100)的下端面通过连接环(103)与所述第二多孔板(90)连接，所述第二多孔板(90)的周面与所述连接环(103)贴合，所述连接环(103)与所述壳体(10)的内壁之间形成第二空腔(104)；
所述第一空气进气管(20)与所述第一空腔(101)连通，所述燃料进气管(30)的一端位于所述壳体(10)的外部，另一端依次穿过所述第一空腔(101)、所述第一多孔板(80)后伸入到所述燃烧腔(102)内，所述点火棒导管(40)与所述燃烧腔(102)连通，所述第二空气进气管(50)与所述第二空腔(104)连通。
2.根据权利要求1所述的分级燃烧器，其特征在于，还包括第一多孔陶瓷介质(110)，所述第一多孔陶瓷介质(110)设置在所述连接环(103)。
3.根据权利要求2所述的分级燃烧器，其特征在于，所述连接环(103)的侧壁上设置有多个开口(1031)，所述第二空腔(104)通过所述开口(1031)与所述第一多孔陶瓷介质(110)连通。
4.根据权利要求2所述的分级燃烧器，其特征在于，还包括第一测温接口管(60)和第二测温接口管(70)，所述第一测温接口管(60)的一端位于所述壳体(10)的外部，另一端伸入到所述连接环(103)内，所述第一测温接口管(60)伸入到所述连接环(103)内的一端位于所述第一多孔陶瓷介质(110)的上方，所述罩体(100)的上端面与所述壳体(10)的开口端之间形成第三空腔(105)，所述第二测温接口管(70)的一端位于所述壳体(10)的外部，另一端与所述第三空腔(105)连通。
5.根据权利要求4所述的分级燃烧器，其特征在于，还包括第二多孔陶瓷介质(120)，所述第二多孔陶瓷介质(120)设置在所述第三空腔(105)内，所述第二测温接口管(70)伸入到所述第三空腔(105)内的一端位于所述第二多孔陶瓷介质(120)的上方。
6.根据权利要求1所述的分级燃烧器，其特征在于，所述燃料进气管(30)位于所述燃烧腔(102)内的一端的侧壁上设置有分流孔(301)。
7.根据权利要求1所述的分级燃烧器，其特征在于，所述第一多孔板(80)上的孔的内径均相等，且所述第一多孔板(80)上的孔均匀分布。
8.根据权利要求1所述的分级燃烧器，其特征在于，所述第二多孔板(90)上的孔的内径均相等，且所述第二多孔板(90)上的孔均匀分布。
9.根据权利要求1所述的分级燃烧器，其特征在于，所述第一空气进气管(20)、所述燃料进气管(30)以及所述第二空气进气管(50)内均设置有电磁阀。
10.根据权利要求1所述的分级燃烧器，其特征在于，所述空气进气分流孔(1001)朝向所述第二空腔(104)一侧的直径大于所述空气进气分流孔(1001)远离所述第二空腔(104)一侧的直径。
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